一种减少驾驶员大腿力载荷的支架设计系统及方法与流程

1.本发明涉及整车结构设计技术领域，具体地指一种减少驾驶员大腿力载荷的支架设计系统及方法。


背景技术：

2.为了促进中国汽车产业的健康发展，加速国内汽车市场的全球化进程，中国汽车技术研究中心于2006年3月2日正式发布了首版中国新车评价规程。中国新车评价规程以更严格、更全面的要求，对车辆进行全方位安全性能测试，包括乘员保护、行人保护、主动安全等，从而给予了消费者更加系统、客观的车辆安全信息，促进汽车企业不断提升整车安全性能。
3.目前市场上有越来越多的车辆参与应对中国新车评价规程碰撞；并以此作为整车安全性的重要设计标准和衡量准绳。在中国新车评价规程2021版乘员保护的正碰试验中，基于在现实碰撞中对前排假人腿部受伤的考虑，在正面碰撞试验中新增了大腿膝部罚分项，该考核项目的目的在于评价前排乘员膝部可能撞击区域的安全风险。罚分项内容包括可变区域接触和集中力载荷两个方面。在评估区域内，若存在结构硬点可能导致膝部承受集中载荷，则对集中力载荷项罚1分；若存在可能导致膝部产生严重伤害的碰撞位置，则对可变区域接触修正项罚1分。车企可通过knee-mapping试验证明这些伤害风险点并不会造成严重伤害，从而消除该罚分，而通过knee-mapping试验消除罚分的前提条件之一为正碰和mpdb试验中，驾驶员和前排乘员大腿力载荷不大于3.8kn、膝位移不大于6mm。因此如何设计一种减少驾驶员侧大腿力载荷的支架使驾驶员的大腿所受载荷满足试验要求是目前面临的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是要解决上述背景技术的不足，提供一种可使驾驶员大腿所受载荷满足碰撞要求，降低驾驶员大腿伤害的支架设计系统及方法。
5.为实现此目的，本发明所设计的减少驾驶员大腿力载荷的支架设计系统，其特征在于：它包括改善目标分析模块、支架设计模块和支架验证模块；
6.所述改善目标分析模块用于建立车身和前排假人所组成的仿真驾驶模型，根据改善要求对所述仿真驾驶模型进行仿真分析，确定所述仿真驾驶模型中需要改善受力的目标；
7.所述支架设计模块用于根据所述需要改善受力的目标设计改善支架的布置位置、结构和尺寸；
8.所述支架验证模块用于验证所述改善支架的布置位置、结构和尺寸是否满足所述改善要求。
9.进一步的，所述改善目标分析模块包括模型建立模块和仿真分析模块；
10.所述模型建立模块用于建立所述车身和前排假人所组成的仿真驾驶模型；
11.所述仿真分析模块用于根据改善要求对所述仿真驾驶模型进行仿真分析，确定所述仿真驾驶模型中需要改善受力的目标。
12.进一步的，所述支架设计模块包括材料选择模块、位置设计模块、结构设计模块和尺寸确定模块；
13.所述材料选择模块用于从材料库中选择一种材料作为所述改善支架的制作材料；
14.所述位置设计模块用于根据所述需要改善受力的目标设计所述改善支架的布置位置；
15.所述结构设计模块用于根据所述改善支架的布置位置设计所述改善支架的结构，其包括所述改善支架的轮廓结构和设置于所述轮廓结构上、使所述改善支架满足改善要求的弱化结构；
16.所述尺寸确定模块用于根据所述改善支架的轮廓结构确定所述改善支架的轮廓尺寸；根据所述改善支架的轮廓尺寸、所述改善支架的制作材料和所述改善要求计算所述弱化结构的尺寸范围。
17.进一步的，所述尺寸确定模块用于根据所述改善支架的轮廓尺寸、所述改善支架的制作材料和所述改善要求计算所述弱化结构的尺寸范围包括在装备气囊的情况下，根据所述改善支架的轮廓尺寸、所述改善支架的制作材料和所述改善要求计算所述弱化结构的尺寸范围和在不装备气囊的情况下，根据所述改善支架的轮廓尺寸、所述改善支架的制作材料和所述改善要求计算所述弱化结构的尺寸范围。
18.进一步的，所述在装备气囊的情况下，根据所述改善支架的轮廓尺寸、所述改善支架的制作材料和所述改善要求计算所述弱化结构的尺寸范围的方法是：在气囊点爆的前提下，对所述改善支架进行受力分析，计算所述改善支架不失效时的弱化结构的尺寸范围。
19.进一步的，所述在不装备气囊的情况下，根据所述改善支架的轮廓尺寸、所述改善支架的制作材料和所述改善要求计算所述弱化结构的尺寸范围的方法是：在不装备气囊的情况下，对所述改善支架进行受力分析，计算所述改善支架在满足所述改善要求的前提下的弱化结构的尺寸范围。
20.进一步的，所述支架验证模块包括模态验证模块，所述模态验证模块用于根据所述改善支架的轮廓尺寸和所述改善支架的制作材料计算所述改善支架的二阶模态，验证所述改善支架的二阶模态是否满足所述改善要求，若满足则完成所述改善支架的设计，若不满足则从材料库中重新选择一种材料作为所述改善支架的制作材料，直至所述改善支架的二阶模态满足改善要求为止。
21.进一步的，所述支架验证模块还包括仿真验证模块，所述仿真验证模块用于将通过所述模态验证模块验证后的所述改善支架带入所述仿真驾驶模型进行仿真模拟，判断所述需要改善受力的目标是否满足所述改善要求；若满足则完成所述改善支架的设计，若不满足则重新设计改善支架的布置位置、结构和尺寸。
22.更进一步的，所述支架验证模块还包括实车验证模块，所述实车验证模块用于对通过所述仿真验证模块验证后的所述改善支架进行生产制造得到实车改善支架，将所述实车改善支架安装于由实车车身和实车前排假人所组成的实车驾驶模型进行实车模拟，判断所述需要改善受力的目标是否满足所述改善要求；若满足则完成所述改善支架的设计，若不满足则重新设计改善支架的布置位置、结构和尺寸。
23.还进一步的，基于上述减少驾驶员大腿力载荷的支架设计系统的方法，包括如下步骤：
24.步骤一：建立车身和前排假人所组成的仿真驾驶模型，根据改善要求对所述仿真驾驶模型进行仿真分析，确定所述仿真驾驶模型中需要改善受力的目标；
25.步骤二：根据所述需要改善受力的目标设计改善支架的布置位置、结构和尺寸；
26.步骤三：验证所述改善支架的布置位置、结构和尺寸是否满足所述改善要求。
27.本发明的有益效果是：通过本发明所设计的支架设计系统来设计改善支架的结构可以使车辆有效通过knee mapping试验通过，保障了驾驶员膝部的碰撞后的受力安全。以改善支架的结构为基础，具备适配膝部气囊的扩展性。通过多轮的支架验验证，在试验过程和真实场景中都可以实现对乘员的保护，同时避免了车辆的nvh问题。
附图说明
28.图1为本发明中减少驾驶员大腿力载荷的支架设计系统的模块连接图；
29.图2为本发明中减少驾驶员大腿力载荷的支架设计系统的设计流程图；
30.图3为本发明中改善支架安装于仪表板横梁上的立体图；
31.图4为本发明中改善支架的立体图；
32.图5为本发明中改善支架的左视图；
33.图6为本发明中改善支架的主视图；
34.其中，1—改善目标分析模块(1.1—模型建立模块，1.2—仿真分析模块)，2—支架设计模块(2.1—材料选择模块，2.2—位置设计模块，2.3—结构设计模块，2.4—尺寸确定模块)，3—支架验证模块(3.1—模态验证模块，3.2—仿真验证模块，3.3—实车验证模块)，4—改善支架(4.1—支架侧板，4.2—支架面板，4.3—支架底板)，5—仪表板横梁，6—弱化凹槽，7—盖板装配孔。
具体实施方式
35.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
36.如图1所示的减少驾驶员大腿力载荷的支架设计系统，包括改善目标分析模块1、支架设计模块2和支架验证模块3。
37.改善目标分析模块1包括模型建立模块1.2和仿真分析模块1.2；其中，模型建立模块1.1用于建立车身和前排假人所组成的仿真驾驶模型；仿真分析模块1.2用于根据改善要求对仿真驾驶模型进行仿真分析，确定仿真驾驶模型中需要改善受力的目标。
38.支架设计模块2包括材料选择模块2.1、位置设计模块2.2、结构设计模块2.3和尺寸确定模块2.4。材料选择模块2.1用于从材料库中选择一种材料作为改善支架4的制作材料。位置设计模块2.2用于根据需要改善受力的目标设计改善支架4的布置位置。结构设计模块2.3用于根据改善支架4的布置位置设计改善支架4的结构，其包括改善支架4的轮廓结构和设置于轮廓结构上、使改善支架4满足改善要求的弱化结构。尺寸确定模块2.4用于根据改善支架4的轮廓结构确定改善支架4的轮廓尺寸；根据改善支架4的轮廓尺寸、改善支架4的制作材料和改善要求计算弱化结构的尺寸范围。上述尺寸确定模块2.4用于根据改善支架4的轮廓尺寸、改善支架4的制作材料和改善要求计算弱化结构的尺寸范围包括在装备气
囊的情况下，根据改善支架4的轮廓尺寸、改善支架4的制作材料和改善要求计算弱化结构的尺寸范围和在不装备气囊的情况下，根据改善支架4的轮廓尺寸、改善支架4的制作材料和改善要求计算弱化结构的尺寸范围。
39.支架验证模块3包括模态验证模块3.1、仿真验证模块3.2和实车验证模块3.3。模态验证模块3.1用于根据改善支架4的轮廓尺寸和改善支架4的制作材料计算改善支架4的二阶模态，验证改善支架4的二阶模态是否满足改善要求，若满足则完成改善支架4的设计，若不满足则从材料库中重新选择一种材料作为改善支架4的制作材料，直至改善支架4的二阶模态满足改善要求为止。仿真验证模块3.2用于将通过模态验证模块3.1验证后的改善支架4带入仿真驾驶模型进行仿真模拟，判断需要改善受力的目标是否满足改善要求；若满足则完成改善支架4的设计，若不满足则重新设计改善支架4的布置位置、结构和尺寸。实车验证模块3.3用于对通过仿真验证模块3.2验证后的改善支架4进行生产制造得到实车改善支架，将实车改善支架安装于由实车车身和实车前排假人所组成的实车驾驶模型进行实车模拟，判断需要改善受力的目标是否满足改善要求；若满足则完成改善支架4的设计，若不满足则重新设计改善支架4的布置位置、结构和尺寸。
40.如图2—6所示，本发明所设计的减少驾驶员大腿力载荷的支架设计系统的支架设计方法是：
41.第一步，确定knee mapping改善位置
42.按照c-ncap管理规程，在评估区域内，若存在可能导致大腿力超过3.8kn的碰撞位置点，则相应腿部得分会有-1分的修正。通过对已有车身与前排假人所组成的驾驶模型进行计算机仿真，在仿真过程中，驾驶员侧假人左脚放置于歇脚板上，膝盖一般不会撞击到仪表板，而驾驶员右腿膝部则最可能受到3.8kn以上的冲击力，因此确定驾驶员右腿膝部为需要改善的位置，基于此位置设计改善支架4使驾驶员右腿膝部的受力得到改善，改善要求为驾驶员右腿所承受的碰撞冲击力不超过3.8kn。
43.第二步，改善支架4的结构设计：
44.(1)位置和形状设计：为了便于设计，本案暂时以可以满足设计要求的最简单模型为例进行说明，若受限于空间布置等因素需要调整改善支架4对的截面形状或者走向，都可以采用此种设计方案在计算机仿真的辅助下进行优化设计。
45.改善支架4位置：改善支架4位于驾驶员假人右腿x向正前方，沿与仪表板横梁5垂直的方向布置，并固定在仪表板横梁5上，高度为b改善支架4的顶端为与仪表板横梁5连接的弧面。
46.改善支架4形状：改善支架4断面为u型，支架面板4.2上设计有装配塑料盖板的盖板装配孔7，两个y向面(支架侧板4.1)上都布置有弱化凹槽6；z向底面(支架底板4.3)上开设有固定膝部气囊的装配孔位并连接有螺栓，壁厚为d。
47.改善支架4材料：首先可以从公司材料库中选择一种作为初始设计的条件输入，可以由此在材料属性表中查找到相关参数(抗弯屈服强度，压缩屈服强度等)。
48.改善支架4的受力分析以及满足工况：
49.工况一：装备膝部气囊的情况下，膝部气囊点爆，冲击力f1如图5所示；支架不失效(断裂)；计算公式如下：
[0050][0051]
式中：f1是气囊点爆冲击力，可以通过cae或者实物试验获得；β是膝部气囊点爆冲击力与支架下表面平面的夹角；b是支架高度；f
1x
、f
1y
分别是f1在支架下表面平面以及其垂直面上的分解力；y是弱化缺口距离上固定点的距离；d是支架宽度；a是支架厚度；x是支架弱化缺口残余厚度；n1、n2是设计安全系数；σ1、σ2分别是该支架的抗弯屈服强度和压缩屈服强度；
[0052]
根据以上公式可以确定y值以及d和x的范围。
[0053]
工况二：不装备膝部气囊情况下，假人膝部冲击力f2不大于3.8kn；计算公式如下：
[0054][0055]
式中：f2是膝部撞击冲击力，设计目标是不大于3.8kn；f
2x
是改善支架4的弱化凹槽6处需要承受的最大力；c是膝部撞击冲击力距离上固定点的距离；n3是设计安全系数；
[0056]
根据以上公式可以确定y，d和x的范围。
[0057]
第三步，验证
[0058]
模态仿真：经过以上材料选型，以及与仪表板横梁5配合的结构设计后，通过计算机仿真可以获得总成的整体模态值。将带有改善支架4的仪表板总成数据通过计算机模态仿真，校验其二阶模态ω2达到40hz以上。如果未达到，根据下列计算公式中ω2和ρ的关系，可以在材料参数表中选择ρ较小的材料参数(σ1、σ2等)，从工况一中重新设计；如此反复，直到其二阶模态ω2达到40hz以上。
[0059][0060]
式中：e是弹性模量；i是惯量；ρ是单位长度上的质量；f是外界激励的力(f＝ma，m为仪表板横梁与支架的总质量，a为仪表板横梁与弱化支架的整体的加速度，为定值)；t是时间(外界激励力的持续时间，为定值)。
[0061]
通过计算机仿真验证假人大腿力是否在3.8kn以内；如果达到设计目标，需要再进行实车验证，验证整车目标是否可以达成，包含大腿力和集中载荷等；如果未能达成，则需要优化相关参数。其中，根据计算原理可知：如果工况一未达成，说明支架刚性较小，需要增强，比如：增大d，x，y或者β；如果工况二未达成，说明支架刚性较大，需要减弱，比如：减小d，x，y或者β。
[0062]
通过本发明所设计的支架设计系统来设计改善支架4的结构可以使车辆有效通过
knee mapping试验通过，保障了驾驶员膝部的碰撞后的受力安全。以改善支架4的结构为基础，具备适配膝部气囊的扩展性。通过多轮的支架验验证，在试验过程和真实场景中都可以实现对乘员的保护，同时避免了车辆的nvh问题。
[0063]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的结构做任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。